游梁式抽油機(jī)自動調(diào)平衡裝置的設(shè)計及應(yīng)用

鄧思哲 （中國石油大學(xué) （北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京100083）

張頂學(xué) （長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作維修方便以及使用壽命較長的特點(diǎn)，是目前主要采用的舉升裝置。由于抽油機(jī)懸點(diǎn)在運(yùn)動時，上下沖程中所受到的載荷不均勻，通常采用調(diào)平衡的方法來減小對抽油裝置的影響，同時可以提高抽油機(jī)的系統(tǒng)效率。

在生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)條件會隨時發(fā)生變化，因此，要不斷地檢查、調(diào)整平衡狀態(tài)。同時，隨著油田開發(fā)的深入，油井含水逐步上升，其懸點(diǎn)載荷逐漸增加，抽油機(jī)的平衡條件會變差，通過自身的平衡調(diào)整裝置不能滿足條件，因此要進(jìn)行抽油機(jī)平衡的二次調(diào)節(jié)。目前出現(xiàn)了幾種抽油機(jī)平衡的調(diào)節(jié)裝置，但都是機(jī)械調(diào)節(jié)方式，必須人工調(diào)整[1～4]。

筆者研制出一種游梁式抽油機(jī)自動調(diào)平衡裝置，調(diào)節(jié)精度高，運(yùn)行安全性好，能在保證調(diào)節(jié)精度和安全性的基礎(chǔ)上，降低人工勞動力，并能提高抽油系統(tǒng)效率。

1 設(shè)計思想

對于曲柄平衡的游梁式抽油機(jī)可以參考復(fù)合平衡的方式，將一塊配重放置于游梁臂上作為平衡重，通過檢測電機(jī)功率來自動調(diào)節(jié)平衡重在游梁上的位置，進(jìn)而使抽油機(jī)達(dá)到相對平衡的狀態(tài)。

在該設(shè)計思想之下，裝置整體分為兩大部分：電氣智能控制系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)。電氣智能控制系統(tǒng)由智能模塊自動檢測抽油機(jī)上、下沖程的平均功率，自動計算出抽油機(jī)的平衡度，根據(jù)平衡度自動判斷出抽油機(jī)的平衡狀況，根據(jù)平衡狀況判斷出機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)需要執(zhí)行的具體內(nèi)容。機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)則根據(jù)電氣智能控制系統(tǒng)的一系列判斷后執(zhí)行電氣系統(tǒng)發(fā)出的調(diào)節(jié)命令，嚴(yán)格按照電氣智能控制系統(tǒng)采取的調(diào)節(jié)方法執(zhí)行。

2 設(shè)計內(nèi)容

2.1 配重的選擇與抽油機(jī)支架的有限元分析

常用的平衡診斷方法有電流法、扭矩法和功率法。研究表明不平衡時用功率法調(diào)整比較準(zhǔn)確[5]。依據(jù)某油田常用的六型抽油機(jī)的參數(shù)計算得到的游梁平衡重在0.5t至0.807t之間。由于裝置的平衡重主要是為了輔助調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡，因此，在游梁上運(yùn)行的平衡重的重量不宜過大，該重量定為0.5t。

為了考慮安裝機(jī)械系統(tǒng)后抽油機(jī)支架是否安全，應(yīng)用ANSYS軟件對游梁式抽油機(jī)進(jìn)行了有限元分析。抽油機(jī)的支架為四腿空間鋼架結(jié)構(gòu)，前后主腿架均采用L100×100×10型角鋼，橫撐和斜撐則采用L80×80×10型角鋼。根據(jù)抽油機(jī)支架的實際工作情況，選用三維beam189計算單元，網(wǎng)格大小采用手動控制，將結(jié)構(gòu)模型劃分為10242個節(jié)點(diǎn)，31057個單元，其有限元網(wǎng)格如圖1所示。

計算表明在原游梁上安裝4.3t平衡重時，支架前后方向 （X方向）的最大位移是4.171mm，側(cè)向 （Y方向）的最大位移是0.5594mm，豎直 （Z方向）方向的最大位移是1.179mm，支架最大變形為5.174mm，軸向方向最大等效應(yīng)力是136.637MPa。根據(jù)SY/T 5044—2003 《游梁抽油機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)抽油機(jī)的沖程長度為2.5m時，支架頂部的縱向振幅允許值為5mm，橫向振幅允許值為4mm。由此可見，在抽油機(jī)游梁上安裝500kg的平衡重是足夠安全的。

2.2 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計

圖1 支架有限元網(wǎng)格模型

圖2 基于鋼絲繩的自動調(diào)平衡裝置機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整套裝置中機(jī)械部分需要實現(xiàn)的功能為：根據(jù)控制系統(tǒng)的執(zhí)行方案來執(zhí)行抽油機(jī)平衡的調(diào)節(jié)。裝置的平衡調(diào)節(jié)，通過改變平衡重的位置來改變力矩，達(dá)到調(diào)節(jié)平衡的目的；另外需要兩根鋼制導(dǎo)軌來固定平衡重的運(yùn)動方向，防止平衡重運(yùn)動方向改變而發(fā)生墜落事故。平衡重的移動則需要鋼絲繩來拉動，整個鋼絲繩應(yīng)該圍成一個圈，平衡重上穿兩個孔，鋼絲繩的兩頭分別從平衡重的兩側(cè)穿過，并用鎖扣固定住以拉動平衡重，游梁兩側(cè)則需要鋼絲繩的導(dǎo)軌，游梁前臂需要一個滑輪來固定鋼絲繩的移動，因而需要一個滑輪支撐座來固定滑輪導(dǎo)軌，滑輪支撐座上的鋼絲繩一頭連到平衡重一個孔內(nèi)以固定鋼絲繩，另一頭則通過平衡重上方連到游梁后臂的鋼絲繩導(dǎo)軌。游梁后臂安裝一個滾筒支撐座，鋼絲繩在滾筒上繞行幾圈后一頭連到平衡重另一個固定孔，另一頭通過平衡重上空連到游梁前臂的滑輪支撐座。滾筒內(nèi)心則連接電機(jī)，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動來帶動滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒則依靠摩擦力來帶動鋼絲繩移動，從而拖動平衡重移動，而且由于鋼絲繩的兩頭固定于平衡重的兩側(cè)，滾筒的旋轉(zhuǎn)方向不同，平衡重的移動方向也就不同，從而平衡重可以雙向移動而達(dá)到可以調(diào)節(jié)抽油機(jī)過平衡和欠平衡兩種不平衡狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.3 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)主控芯片采用了美國Micorochip微芯片公司推出的一款單片機(jī)dsPIC 30F6014A。其主要完成信號接收與控制機(jī)制、接收采集到的抽油機(jī)電參數(shù)、計算平衡度、調(diào)節(jié)平衡重的移動等任務(wù)。其智能控制系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)主程序圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2013年，該裝置應(yīng)用到某油田8口油井，運(yùn)行穩(wěn)定之后對其工況進(jìn)行了測試，結(jié)果如表1所示。

表1 對比測試結(jié)果表

從測試結(jié)果可以看出，8臺抽油機(jī)的平衡狀況都得到了改善，平均平衡度調(diào)節(jié)到了91.37%，達(dá)到了預(yù)期的效果。其中7口井處于欠平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)后平衡度都提高到了85%以上；而郭54－71井處于過平衡狀態(tài)，其調(diào)整后平衡度也達(dá)到了107.78%。除平衡度得到改善之外，還實現(xiàn)了一定量的節(jié)能。安裝前后的電參數(shù)測試，計算出平均有功節(jié)電率為7.23%，平均無功節(jié)電率為52.25%，平均綜合節(jié)電率為9.37%。

[1]陳琳，陳學(xué)芳，任永慶，等 .抽油機(jī)井快速調(diào)平衡組合工具 [P].CN201581872U，2010－09－15.

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[3]秦德福，李紅才，師德俊，等 .抽油機(jī)的調(diào)平衡裝置 [P].CN201810281U，2011－04－27.

[4]王飛虎 .抽油機(jī)自動平衡裝置的應(yīng)用與認(rèn)識 [J].石油石化節(jié)能，2014，4（3）：38～39.

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